原創(chuàng) | 文BFT機器人

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機器人產(chǎn)業(yè)鏈剖析

上游核心零部件成本占比高，毛利率也高

機器人產(chǎn)業(yè)鏈上游由控制器、伺服電機、減速器、智能芯片等核心零部件構成；中游涵蓋機器人本體制造商以及面向應用部署服務的系統(tǒng)集成商；下游主要由不同領域的企業(yè)客戶和個人消費者組成，共同形成巨大的機器人應用市場。

從工業(yè)機器人成本構成來看，三大零部件是產(chǎn)業(yè)鏈中技術壁壘高、成本占比較大的環(huán)節(jié)：控制器、伺服電機和精密減速器，成本占比分別為 17%、20%、30%，合計約占成本比重 70%以上。

從盈利水平看，上游零部件的毛利率也相對較高，其中減速器毛利率為 40%，伺服系統(tǒng)為 35%，控制器為 25%；中游機器人本體毛利率最低、為 15%；下游系統(tǒng)集成毛利率為25%。

隨著技術發(fā)展，相較于一般機器人，智能機器人有相當發(fā)達的“大腦”。在腦中起作用的是中央處理器，這種計算機跟操作它的人有直接的聯(lián)系。如果對機器人做抽象化解析，則其往往需要具備三大要素——即感知、決策和控制。三大要素并不是獨立割裂的，既有專精于某一環(huán)節(jié)的零部件或軟件供應商機會（如核心零部件、操作系統(tǒng)、關鍵控制算法等），也有整合了其中 2-3 個環(huán)節(jié)的關鍵技術要素供應商。

機器人上游的核心零部件如智能芯片、激光雷達、傳感器等，擁有核心技術，占據(jù)價值鏈的主要部分；此外，智能交互如語音、圖像等模塊也占據(jù)著一定的價值；同時，服務機器人涉及的智能交互、語音圖像識別等都需要很多軟硬件來支持，生態(tài)圈的建立需要操作系統(tǒng)來支持，這部分也占據(jù)著重要的價值量。

運動控制系統(tǒng) —— 減速器、伺服系統(tǒng)、控制器

2.1 減速器

減速器是一種精密的動力傳達機構，其利用齒輪的速度轉換器，使伺服電機在一個合適的速度下運轉，并精確地將轉速降到工業(yè)機器人各部位需要的速度，提高機械體剛性的同時輸出更大的力矩。

RV 減速器和諧波減速器是工業(yè)機器人最主流的精密減速器。RV 減速器由于具有更高的剛度和回轉精度，一般放置在機座、大臂、肩部等重負載的位置，而諧波減速器一般放置于放置在小臂、腕部或手部。

全球精密減速器市場被日本兩大減速器巨頭壟斷、份額接近 75%。

于高精度機器人減速器，日本具備絕對領先優(yōu)勢，目前全球機器人行業(yè) 75%的精密減速機被日本的納博特斯克和哈默納科兩家壟斷；其中，納博特斯克、住友、SPINE 主要集中在 RV 減速機市場，哈默納科主要集中在諧波減速機市場。根據(jù)華商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，2021 年，哈默納科在全球諧波減速器市場占有率大于 82%。

國產(chǎn)諧波減速器替代趨勢相對明顯，國產(chǎn) RV 減速器接受度正在提高。

從產(chǎn)品類型來看，國產(chǎn)諧波減速器替代相對明顯，目前已涌現(xiàn)如綠的、來福等優(yōu)質廠商，2021 年，僅綠的諧波已達到 25%的市場份額。相較之下，RV 減速器有較高的技術和投資門檻，減速器龍頭廠商納博特斯克占據(jù)一半以上市場份額，剩余競爭格局較為分散，如雙環(huán)傳動、南通振康、中大力德等開始出現(xiàn)，其中雙環(huán)傳動 2021 年 RV 減速器市占率達 14%。

國產(chǎn)諧波減速器企業(yè)技術不斷提升，設備投入不斷加大，產(chǎn)品性能提升。

國內企業(yè)以綠的諧波為代表，經(jīng)過多年的技術創(chuàng)新和研發(fā)積累，自主研發(fā)了“P 齒形”，與國外主流齒形技術路線實現(xiàn)差異化，并大幅提升了諧波減速器的輸出效率和承載扭矩?？梢钥闯鰢鴥韧馔吞栔C波減速器性能指標上已無明顯差異。

國產(chǎn) RV 減速器廠商堅持自主研發(fā)道路，與國外差距逐漸縮小。

RV 減速器領域，國內的廠商以雙環(huán)傳動和南通振康為代表，從 0 到 1 自主研發(fā)，展開減速器動力學研究，在齒形設計、傳動精度、回差控制、精度保持等方面從頭開始，雖然進入減速器領域較晚。但在齒輪加工上已經(jīng)積累了深厚的經(jīng)驗，隨著廠商不斷加大制造設備的投入和檢測能力的加強，國產(chǎn) RV 減速器在精度、剛度和噪聲上同納博特斯克并無明顯差距，目前已經(jīng)過客戶的試用和認證，開始大批量供貨，國產(chǎn)份額開始逐漸上升。

國產(chǎn)減速器企業(yè)加投產(chǎn)能，有望突破市場份額。

資金實力較強的日系精密減速器廠商在國內擴產(chǎn)策略保持溫和，相比之下，內資品牌整體擴產(chǎn)意愿更強。以內資龍頭綠的諧波為例，2020 年上市前產(chǎn)能僅為 9 萬臺/年，根據(jù)公司公告披露，截至 2021 年年底，公司產(chǎn)能為30 萬臺/年，產(chǎn)能計劃擴為 50 萬臺/年。

當前國產(chǎn)減速器產(chǎn)能尚未飽和，但全球機器換人節(jié)奏加快。

納博特斯克等日系品牌在國內擴產(chǎn)節(jié)奏緩慢等因素影響，內資品牌開始獲得試機驗證并批量化生產(chǎn)的機會，預計未來隨著下游需求增加，國內廠商有望進一步進入下游客戶供應鏈。

2.2 伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)（servomechanism）又稱隨動系統(tǒng)，是用來精確地跟隨或復現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)。它的主要任務是按控制命令的要求、對功率進行放大、變換與調控等處理，使驅動裝置輸出的力矩、速度和位置等達到靈活方便的效果。一個典型的伺服系統(tǒng)包含有伺服驅動器和伺服電機，以及伺服反饋裝置（編碼器），目前編碼器通常嵌入于伺服電機。

伺服系統(tǒng)是驅動機器人做出各種動作的核心部件，為機器人的配套部件，機器人用的伺服系統(tǒng)是伺服系統(tǒng)中的高端產(chǎn)品。根據(jù) MIR 睿工業(yè)數(shù)據(jù)，2021 年，我國伺服系統(tǒng)市場規(guī)模約 233 億元，其中機器人用伺服系統(tǒng)規(guī)模約 24.8 億元、占 10.63%。

國產(chǎn)品牌已打破外資品牌壟斷格局、處于成長階段，份額持續(xù)提升。外資廠商憑借先發(fā)優(yōu)勢占據(jù)了我國伺服系統(tǒng)市場 60%-70%份額。

但隨著近年貿(mào)易摩擦不斷加劇，國內廠商自研能力逐步增強，伺服系統(tǒng)的產(chǎn)品質量和技術水平提升。

同時，受芯片缺貨及疫情造成的物流不暢等因素影響，日韓和歐美企業(yè)貨期有所延長，內資企業(yè)借此迎來進口替代的窗口期。根據(jù) MIR 數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2017-2021 年，以匯川技術、禾川技術和埃斯頓為首的國產(chǎn)企業(yè)市場份額從 13.63%增長至 35.79%，份額提升明顯。

2.3 控制器

機器人控制系統(tǒng)相當于機器人的大腦，既包括各種硬件系統(tǒng)，又包括各種軟件系統(tǒng)；對機器人的性能起著決定性的影響。其主要任務是控制機器人在工作空間中的運動位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動作的時間等。它同時具有編程簡單、軟件菜單操作、友好的人機交互界面、在線操作提示和使用方便等特點。

與其他形態(tài)的機器人（如履帶式、輪式等）相比，腿足式機器人在移動范圍和靈活性上有巨大優(yōu)勢。但是實現(xiàn)行走乃至跑跳對腿足式機器人來說并不容易，要想讓機器人像人一樣靈巧、平穩(wěn)地移動，并在此基礎上完成復雜的任務，機器人的每一步都需要動態(tài)平衡，需要對瞬間的不穩(wěn)定性有極強的適應能力。

這對控制理論、系統(tǒng)集成和工程實現(xiàn)等多個維度都提出了極高的要求。通常，機器人的運動控制主要有電機系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)兩種實現(xiàn)方式，在運動控制方面的任務中重要的兩項為定位導航與運動協(xié)調控制。

我國機器人控制器行業(yè)發(fā)展相對成熟，是機器人行業(yè)中與國外技術差距最小的關鍵零部件產(chǎn)品。

控制器包括硬件和軟件兩部分，國內企業(yè)對硬件部分領域技術已經(jīng)掌握；軟件部分主要包括控制算法、二次開發(fā)等，國內企業(yè)產(chǎn)品在其開發(fā)平臺的穩(wěn)定性、響應速度與易用性等方面與國際先進水平相比還存在一定差距。

國內知名的工業(yè)機器人生廠商均自主研發(fā)了自家的控制系統(tǒng)，包括新松機器人、埃斯頓、華中數(shù)控、新時達、廣州數(shù)控、匯川技術等公司，也誕生了一批專業(yè)的控制系統(tǒng)服務商如固高科技、英威騰、卡諾普等；因而控制器的市場份額基本和機器人本體保持一致。

環(huán)境感知系統(tǒng) —— 傳感器

環(huán)境感知技術作為機器人系統(tǒng)不可或缺的一部分，與智能機器人的地圖構建、運動控制等功能息息相關。一旦機器人失去感知能力將無法幫助人們完成具體工作任務，因此它是機器人的“感知+運控+交互”技術體系融合發(fā)展的基礎和前提條件。

機器人的感知功能通常需要通過各類傳感器來實現(xiàn)，及時感知自身和外部環(huán)境的參數(shù)變化，為控制和決策系統(tǒng)做出適當響應提供數(shù)據(jù)參考。

機器人傳感器可以根據(jù)檢測對象不同分為內部傳感器和外部傳感器。

內部傳感器是用于機器人感知自身的運動狀態(tài)，獲取位置、軌跡和速度等參數(shù)運動：包括位置傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、力傳感器、壓力傳感器、力矩傳感器、姿態(tài)傳感器等。

外部傳感器主要是感知機器人自身所處環(huán)境以及自身和環(huán)境之家的相互信息，包括是視覺、聽覺、力覺等：包括激光雷達、嗅覺傳感器、視覺傳感器、語音合成、語音識別、可見光和紅外線傳感器等。強抗干擾能力、高精度以及高可靠性是機器人對傳感器的最基本要求。

傳感器在智能機器人的應用種類繁多，過去傳感器的性能與體積往往成正比，限制了其在機器人領域應用。

芯片制程技術提升使微型傳感器的制造成為可能，從而廣泛應用于機器人領域。系統(tǒng)內的單個傳感器通常僅能獲得環(huán)境的信息段或測量對象物的部分信息，而機器人需要從視覺、觸覺、聽覺等多維角度配置相應傳感器來采集環(huán)境信息，從而整合多渠道數(shù)據(jù)信息并處理復雜情況。

因此多傳感器信息融合技術是十分重要研究課題，融合后的多傳感器信息具有以下特性：冗余性、互補性、實時性和低成本性。多傳感器信息融合方法主要有貝葉斯估計、Dempster－Shafer 理論、卡爾曼濾波、神經(jīng)網(wǎng)絡、小波變換等。

機器人對環(huán)境的感知大多通過激光雷達、攝像頭、毫米波雷達、超聲波傳感器、GPS 這五類傳感器及其之間的組合來實現(xiàn)自主移動功能，與自動駕駛場景存在類似之處。目前，機器人感知方案或如同自動駕駛，分為純視覺感知激光雷達與兩大路線。

純視覺感知路線以機器視覺為核心，利用毫米波雷達+攝像頭實現(xiàn)自動駕駛，其優(yōu)勢為成本低且符合人眼邏輯，在數(shù)據(jù)積累達到一定規(guī)模后能夠超越激光雷達方案的表現(xiàn)，但在惡劣環(huán)境下，攝像頭完成感知任務的難度也會隨之提升；激光雷達方案可以在現(xiàn)有技術條件下實現(xiàn)快速 3D 建模，比較精準的還原路況信息，形成計算機可以快速識別、快速處理、快速應對的方案，目前的痛點在于成本高昂、且對芯片算力需求大。

Yole 預計 2027 年全球激光雷達市場達 63 億美元，2021-2027 年 CAGR 達 22%。，根據(jù) Yole在 2022 年 7 月發(fā)布的《2022 年汽車與工業(yè)領域激光雷達應用報告》，2021 年全球用于汽車與工業(yè)領域的激光雷達市場規(guī)模高達 21 億美元，相較 2020 年增長了 18%。

其中，地形測繪仍是激光雷達最大的應用領域，占據(jù) 60%的市場份額。隨著汽車智能化變革的推進，以及高級別自動駕駛技術的發(fā)展，汽車 ADAS（高級駕駛輔助系統(tǒng)）激光雷達市場將在未來5 年迎來飛速增長，年均復合增長率高達 73%，到 2027 年，ADAS 激光雷達市場規(guī)模將從2021 年的 3800 萬美元增至 2027 年的 20 億美元，成為激光雷達行業(yè)最大的應用領域。

中國激光雷達廠商加速崛起，禾賽科技引領突圍。在全球激光雷達產(chǎn)業(yè)鏈中，國外企業(yè)具有先發(fā)優(yōu)勢。早在 2017 年，法雷奧就成為全球首家開始為汽車量產(chǎn)激光雷達的公司，其第一代產(chǎn)品 SCALA 被奧迪 A8 高端轎車等車型采用。數(shù)據(jù)顯示，2020 年全球 ADAS 激光雷達市場由法雷奧主導，基本找不到它的競爭對手。2021 年，盡管市場涌現(xiàn)出一批新來者，但法雷奧仍然牢牢占據(jù)著 75%的份額。

在自動駕駛出租車領域，中國企業(yè)禾賽科技也以絕對優(yōu)勢領先，以 58%的營收占比排名全球第一，是第二名 Waymo 份額的兩倍以上，以往該細分領域的領導者法雷奧跌至第三。

機器視覺為機器人植入“眼睛”和“大腦”，具有感知和分析的能力。隨著深度學習、3D 視覺技術、高精度成像技術和機器視覺互聯(lián)互通技術的持續(xù)發(fā)展，機器視覺的性能優(yōu)勢將進一步加大，在機器人上的應用有望快速發(fā)展。

GGII 數(shù)據(jù)顯示，2021 年全球機器視覺市場規(guī)模約為 804 億元，同比 2020 年增長 12.15%，預計至 2025 年該市場規(guī)模將超過 1200 億元，2022 年至 2025 年復合增長率約為 12%。

2021年中國機器視覺市場規(guī)模 138.16 億元（該數(shù)據(jù)未包含自動化集成設備規(guī)模），同比增長46.79%。其中，2D 視覺市場規(guī)模約為 126.65 億元，3D 視覺市場約為 11.51 億元；傳統(tǒng)工業(yè)產(chǎn)品的回暖也為機器視覺帶來生機，增長趨勢明顯。

內外資品牌的競爭已開始呈現(xiàn)分庭抗禮的局面，甚至在某些產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)，國產(chǎn)的份額已絕對領先于外資。圖表 47：2021 年中國機器視覺系統(tǒng)下游分布?

如鏡頭、光源領域，國產(chǎn)代表廠商 OPT、東莞 RESS、長步道等；相機領域，國產(chǎn)代表廠商?？禉C器人、華?？萍?、大恒圖像等；從內外資品牌份額來看，根據(jù) GGII 數(shù)據(jù)顯示，2021 年國產(chǎn)品牌機器視覺市場份額占比 58.43%，進口替代進程開始提速。

決策系統(tǒng)——芯片技術

機器人在定位導航、視覺識別、處理傳輸、規(guī)劃執(zhí)行等環(huán)節(jié)都需要用到不同類型的芯片，因此芯片對于機器人有至關重要的作用。一般在機器人中，幾個支持芯片會將接口集合起來，之后再統(tǒng)一連接到微控制器上。

這些支持芯片也能夠實現(xiàn)對信號的預處理，從而降低控制中樞的工作負載量，實現(xiàn)機器人的快速反應。從應用范圍看，機器人所應用芯片可分為通用芯片和專用芯片兩類。對于通用芯片和專用芯片的探索研發(fā)都具有重要意義。

中國的通用芯片技術發(fā)展水平與外國相比仍然存在很長的路要走，短期內無法完全扭轉落后格局；而在人工智能芯片領域，中國的發(fā)展情況目前走在世界前端，有望通過現(xiàn)有技術優(yōu)勢提升國際影響力，成為生態(tài)建設中的重要一環(huán)。

人形機器人的控制芯片類似自動駕駛芯片。與智能駕駛相關的芯片主要分為自動駕駛芯片（邊緣端）和智能座艙芯片兩大類，另外衍生的相關芯片種類還有計算集群芯片（云端）。自動駕駛芯片具備智能和學習的特性，可模仿人的大腦神經(jīng)網(wǎng)絡，符合人形機器人需求，故可作為人形機器人的大腦。

人形機器人注重機體運動的高流暢以及人機交互的低延時，需要更強大的算力支撐，才能使人形機器人更像人。目前自動駕駛芯片市場份額主要由海外玩家占據(jù)，包括英偉達、英特爾 Mobileye、高通等。

國內芯片產(chǎn)業(yè)雖起步晚，但國內市場、政策提供了有利環(huán)境，AI 芯片迎來發(fā)展風口，如寒武紀、地平線，智能機器人芯片全志科技、瑞芯微等公司發(fā)展迅速，自動駕駛領域的 AI 芯片公司有望迎風見長。

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